Fisiologia Animal: Sistema Respiratório
Oi biologuínhos, tudo bem? Voltamos com mais um post dessa matéria amada por uns e incompreendida (porque não dá para odiar) por outros, e dessa vez nós iremos falar sobre o sistema respiratório.
Inicialmente, precisamos compreender as funções do sistema respiratório, que são importantes para o entendimento de como tudo funciona em prol da homeostasia fisiológica. A primeira função importante é o olfato (determinado por neurônios quimiossensiveis/ quimioreceptores presentes em nossas fossas nasais capazes de identificar diversas partículas odoríferas – isso ocorre mesmo em humanos em que há uma diminuição do bulbo olfatório), seguindo com a produção da voz (o som utilizado para a comunicação é realizado no momento da expiração, em que o ar é comprimido para fora das vias respiratórias, provocando a vibração das cordas vocais), controle do pH sanguíneo (eliminação do excesso do CO2, protegendo o corpo de possíveis reações do composto com a água, produzindo substâncias ácidas e prejudicando proteínas plasmáticas), defesa contra infecções e partículas poluentes (muco filtra o ar, capturando partículas em suspensão e microrganismos- exceto os vírus por serem extremamente pequenos/ células ciliadas promovem a remoção do excesso de muco, impedindo que o mesmo se acumule e atrapalhe a passagem de ar), controle de temperatura corporal (ao realizarmos trocas gasosas, nós liberamos vapor de água na expiração e, assim, diminuímos o volume de água na corrente sanguínea, dificultando o transporte de substâncias e fazendo com que nossas taxas metabólicas fiquem mais lentas, produzindo menos calor) e metabolismo de compostos (produção de substâncias como surfactante (facilita as trocas gasosas entre os alvéolos e a corrente sanguínea), heparina (anti-coagulante, importante para evitar a coagulação das proteínas plasmáticas durante a interação com o oxigênio), ECA- enzima conversora de angiotensina (forma a angiotensina II, efeito de aumento de pressão arterial em indivíduos hipotensos), bradicinina (substância pró-inflamatória), entre outros) e, como principal função, fornece oxigênio e remove dióxido de carbono de nosso corpo.
O muco, que acabamos de citar no parágrafo acima, é produzido desde a cavidade nasal até os bronquíolos primários (local em que é encontrado o epitélio respiratório, constituído por células ciliadas que promovem o transporte de muco e células caliciforme que produz o muco constantemente), e é uma substância aquosa que apresenta muitas proteínas estruturais chamadas mucina, formando uma estrutura entrelaçada que cria a rede que promove a filtração do ar. Sua importância vai desde a umidificação do ar, até o aquecimento do mesmo e a filtração que já citamos anteriormente.
CAMINHO DO AR
O ar penetra pelos orifícios nasais, segue para as fossas nasais, faringe (comunicação entre a porção nasal e oral/ epiglote que se mantém em repouso enquanto a pessoa não estiver se alimentando, possibilitando a passagem de ar), laringe (em que encontramos as cordas vocais), traqueia (tubo cartilaginoso composto por anéis semicirculares que encaminha o ar até os brônquios, tendo em sua porção dorsal uma musculatura lisa), bronquíolos primários, brônquios secundários, e, por fim, os alvéolos. As trocas efetivamente ocorrem nos alvéolos.
Nosso pulmão (órgão formado por tecido conjuntivo especializado com grandes níveis de colágeno e elastina, promovendo seu movimento durante a inspiração e expiração) é revestido por duas camadas externas de tecido conjuntivo chamadas de pleura visceral (em contato direto com o tecido pulmonar, alvéolos) e parietal (revestimento externo do órgão e fixação à caixa torácica que realiza a proteção mecânica desses órgãos). Entre as duas pleuras há o líquido pleural que lubrifica os dois tecidos, muito importante para o momento da inspiração e expiração.
Além disso, temos que a artéria pulmonar conduz sangue do coração para o pulmão com grande pressão sanguínea, promovendo um choque pressórico que promove o desprendimento do oxigênio do alvéolo para a corrente sanguínea e do dióxido de carbono da corrente sanguínea para o alvéolo.
A ventilação é o mecanismo de circulação de ar dentro do sistema respiratório. O principal músculo da circulação de ar é o diafragma (músculo estriado esquelético), promovendo a ventilação tranquila, quando não estamos fazendo grandes esforços, consumo metabólico baixo, da seguinte maneira:
Na inspiração o diafragma contrai e desce, aumentando o espaço no interior da caixa torácica, o pulmão se expande e a pressão intrapulmonar se torna menor que a atmosférica, forçando o ar a entrar. Na expiração, o diafragma relaxa e sobe, comprimindo o pulmão que, por sua vez, diminui de tamanho, aumenta a pressão e, assim, o ar sai.
e na ventilação rigorosa (em exercícios, demanda por oxigênio é maior pois os músculos precisam produzir ATP):
Além do diafragma, músculos auxiliares contribuem. Na inspiração, o diafragma, esternocleidomastoideo e escalenos se contraem, promovendo a dilatação da caixa torácica e empurrando o esterno para a frente. Os músculos intercostais externos também se contraem aumentando o espaço entre as costelas, possibilitando uma maior dilatação do pulmão e, consequentemente, captando maiores taxas de oxigênio. Na expiração, todos os músculos antes citados relaxam, enquanto que os intercostais internos se contraem puxando as costelas para baixo (diminuindo o espaço) e os músculos abdominais se contraem também, puxando o osso esterno para baixo, momento em que o pulmão está em seu máximo comprimido.
CAPACIDADE RESPIRATÓRIA
A capacidade respiratória de um indivíduo varia de acordo com a anatomia de cada um (geralmente homens apresentam maior capacidade pulmonar por apresentarem maior espaço intratorácico), ritmo de vida (hábitos do indivíduo, principalmente se faz uso ou não de tabaco- a fuligem acumulada na parede dos alvéolos torna o tecido mais fibrótico, perdendo parte de sua capacidade elástica- e se há prática de atividade física- a mesma faz com que haja um aumento do metabolismo muscular, fazendo com que o indivíduo produza mais ATP e precise de mais oxigênio para isso, essa necessidade metabólica aumenta a síntese de colágeno e elastina do indivíduo e faz com que o pulmão consiga se expandir e retrair mais), idade (as crianças apresentam, em comparação com idoso, uma capacidade elástica pulmonar maior- com o passar da idade, a síntese de colágeno e elastina fica reduzida) e patologias (bronquite, asma, pneumonia, tuberculose – diminuem momentaneamente ou cronicamente a capacidade respiratória).
Mas como a capacidade respiratória pode ser medida?
O exame de espirometria mede a capacidade ventilatória do indivíduo sob diferentes situações (repouso e exercício) para que seja realizada a análise do volume pulmonar em relação ao tempo. Dessa forma, é possível determinar capacidades pulmonares em cada indivíduo seguindo as determinadas medidas:
Volume corrente (VC): volume de ar inspirado e expirado na ventilação tranquila (geralmente 500ml);
Volume de reserva inspiratório (VRI): volume extra de ar que pode ser inspirado em uma inspiração profunda (até 3000ml)
Volume de reserva expiratório (VRE): o máximo que você pode expirar (até 1100ml)
Volume residual (VR): volume que fica no interior dos pulmões após a expiração forçada (aproximadamente 1200ml) – evita o colapso
Assim, é possível determinar as capacidades pulmonares de um indivíduo utilizando as medidas anteriores para determinar a:
Capacidade inspiratória: VC + VRI
Capacidade residual funcional: VRE + VR
Capacidade vital: VRI + VC + VRE
Capacidade pulmonar total: VC + VRI + VRE + VR
O surfactante, que falamos no parágrafo de funções do sistema respiratório, é o agente ativo da superfície alveolar, sendo produzido por pneumócitos do tipo II, fazendo com que os alvéolos continuem abertos. É produzido com maior quantidade a partir da 23ª semana de gestação e sua produção ativa ocorre a partir do momento do nascimento.
Nós possuímos cerca de 300 milhões de alvéolos que estão arranjados nas árvores brônquicas e as trocas gasosas entre os alvéolos e a corrente sanguínea ocorrem via movimento contra-corrente: a circulação de ar nos alvéolos ocorre no sentido oposto da circulação sanguínea nos capilares. Assim, o dióxido de carbono se desprende da corrente sanguínea e vai em direção aos alvéolos e o oxigênio é encaminhado para a corrente sanguínea.
Alguns fatores contribuem para as trocas gasosas, tais como o choque pressórico, o movimento contra-corrente, e a diferença de concentração. O oxigênio encontra-se mais concentrado nos nossos alvéolos do que em nossos tecidos, tendo em vista que não armazenamos oxigênio em nossas células (Concentração de O2 alveolar > Concentração de O2 sanguínea > Concentração de O2 tecidual), enquanto que o dióxido de carbono se encontra mais concentrado nos tecidos do que nos alvéolos (Concentração de CO2 tecidual > Concentração de CO2 sanguíneo > Concentração de CO2 alveolar). Por isso a tendência é de que o oxigênio entre e o dióxido de carbono saia.
O transporte de gases é realizado através da hemoglobina, pigmento proteíco presente nas hemácias, sendo uma proteína quaternária, em que cada subunidade apresenta uma molécula de ferro em que o gás se liga para ser transportado. Além disso, a hemoglobina pode transportar diversos nutrientes e restos metabólicos.
Cerca de 97% do oxigênio é transportado ligado à hemoglobina e apenas 3% é dissolvido no plasma, sendo que cada hemácia pode transportar até 16 moléculas de 02, em que cerca de 20 ml se combina com a hemoglobina e apenas 5 ml são liberados para os tecidos.
O dióxido de carbono é transportado cerca de 20 vezes mais rápido que o oxigênio, sendo muito importante para a sua eliminação e, diferente do oxigênio, o CO2 apresenta-se em aproximadamente 100 ml. Menos de 30% de dióxido de carbono são transportados via hemoglobina e cerca de 70% é transportado de forma dissolvida no plasma ou no citoplasma das hemácias- facilitando sua eliminação, pois assim não precisa se despreender da hemoglobina.
O dióxido de carbono é importante para o balanço ácido-básico sanguíneo, em que o Co2 produzido pelos nossos tecidos se difunde para a corrente sanguínea, sendo em que cerca de 70% interage com a água do citoplasma e, com essa interação, a anidrase carbônica forma o ácido carbônico que, por sua vez, se dissocia, formando íons hidrogênio (acidifica o plasma sanguíneo) e bicarbonato (alcaliniza o plasma sanguíneo). A hemoglobina atua como tampão, “segurando” os íons de hidrogênio e promovendo a ação alcalinizadora do bicarbonato sob o sangue.
O TRANSPORTE DE GASES NA CIRCULAÇÃO CAUSA DOIS EFEITOS
Efeito Bohr: nas células teciduais, o aumento da concentração de CO2 promove a ligação do mesmo na hemoglobina, alterando a estrutura quaternária da mesma, diminuindo a afinidade desta pelo O2, facilitando a desoxigenação.
Efeito Haldane: nos alvéolos, a concentração de oxigênio é maior do que a concentração de dióxido de carbono, temos que o oxigênio, ao se ligar na hemoglobina, tende a deslocar o dióxido de carbono do sangue para o alvéolo.
Dentre os fatores que promovem a dissociação do oxigênio com a hemoglobina, temos o aumento da concentração de CO2, da 2,3 difosfoglicerato (2,3 DPG), aumento da temperatura e a diminuição do pH. Essas condições são observadas em nossos tecidos, facilitando a liberação do oxigênio da hemoglobina para o tecido, mas fora desse contexto, oferecem riscos para nosso organismo.
A regulação da respiração é realizada via sistema nervoso, podendo ocorrer via controle central (córtex cerebral- região consciente) exercendo controle limitado da nossa função respiratória fazendo a supressão da função do tronco cerebral, e via sistema límbico e hipotálamo, em que o padrão respiratório é afetado em resposta a estados afetivos, como raiva e medo.
Existem 4 áreas que regulam o processo de respiração e ventilação, estando localizados no tronco encefálico, entre a ponte e o bulbo:
Dorsal: inspiração, contração do diafragma;
Ventral: expiração, relaxamento do diafragma;
Centro pneumotáxico: localizado na ponte, inibe diretamente a área dorsal, diminuindo a inspiração e, consequentemente, a frequência respiratória;
Centro apnêustico: exerce efeito direto excitatório sobre a área dorsal (aumento da frequência respiratória).
Quando a pessoa está com excesso de dióxido de carbono (e consequente acidez do pH sanguíneo), as áreas quimiossensiveis da região dorsal detectam esse aumento e, em resposta, despolarizam a área respiratória, aumentando a atividade da área dorsal e aumentando a frequência respiratória no sentido da expiração (visando eliminar o excesso de CO2 e controlar o pH sanguíneo).
Já, caso haja um excesso de oxigênio (neurônios que percebem estão na periferia), menor será a atividade dos corpos carotídeos e aórticos, fazendo com que a frequência respiratória diminua.
A presença de receptores de distensão pulmonar também pode atuar na regulação da respiração, gerando o reflexo de Hering-Breuer: quando o musculo do diafragma relaxa, o centro dorsal (inspiração) é inibido, iniciando a expiração. Com o fim da expiração, a área dorsal volta a ficar excitada e promove a contração do diafragma e, em seguida, o relaxamento do mesmo novamente, reiniciando o ciclo.
Além disso, temos receptores das vias áreas (nariz, nasofaringe, laringe e traqueia – detectam estímulos lesivos e promovem tosse, espirro, broncoespasmo e laringoespasmo), articulações e músculos (estímulos de ventilação) e receptores da dor e temperatura (no momento em que você sofre o estímulo doloroso, você apresenta um breve momento de apneia (neurônios de dor inibem as áreas respiratórias) seguido da hiperventilação (graças ao estímulo estressante da dor)/ quando há o aquecimento da pele, ocorre hiperventilação para ajudar no controle de temperatura).
Referência:
• Aula da professora Marília Hidalgo na disciplina de Fisiologia Animal - Universidade de Taubaté